block/blk-flush.c

   1 /*
   2  * Functions to sequence PREFLUSH and FUA writes.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2011           Max Planck Institute for Gravitational Physics
   5  * Copyright (C) 2011           Tejun Heo <tj@kernel.org>
   6  *
   7  * This file is released under the GPLv2.
   8  *
   9  * REQ_{PREFLUSH|FUA} requests are decomposed to sequences consisted of three
  10  * optional steps - PREFLUSH, DATA and POSTFLUSH - according to the request
  11  * properties and hardware capability.
  12  *
  13  * If a request doesn't have data, only REQ_PREFLUSH makes sense, which
  14  * indicates a simple flush request.  If there is data, REQ_PREFLUSH indicates
  15  * that the device cache should be flushed before the data is executed, and
  16  * REQ_FUA means that the data must be on non-volatile media on request
  17  * completion.
  18  *
  19  * If the device doesn't have writeback cache, PREFLUSH and FUA don't make any
  20  * difference.  The requests are either completed immediately if there's no data
  21  * or executed as normal requests otherwise.
  22  *
  23  * If the device has writeback cache and supports FUA, REQ_PREFLUSH is
  24  * translated to PREFLUSH but REQ_FUA is passed down directly with DATA.
  25  *
  26  * If the device has writeback cache and doesn't support FUA, REQ_PREFLUSH
  27  * is translated to PREFLUSH and REQ_FUA to POSTFLUSH.
  28  *
  29  * The actual execution of flush is double buffered.  Whenever a request
  30  * needs to execute PRE or POSTFLUSH, it queues at
  31  * fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx].  Once certain criteria are met, a
  32  * REQ_OP_FLUSH is issued and the pending_idx is toggled.  When the flush
  33  * completes, all the requests which were pending are proceeded to the next
  34  * step.  This allows arbitrary merging of different types of PREFLUSH/FUA
  35  * requests.
  36  *
  37  * Currently, the following conditions are used to determine when to issue
  38  * flush.
  39  *
  40  * C1. At any given time, only one flush shall be in progress.  This makes
  41  *     double buffering sufficient.
  42  *
  43  * C2. Flush is deferred if any request is executing DATA of its sequence.
  44  *     This avoids issuing separate POSTFLUSHes for requests which shared
  45  *     PREFLUSH.
  46  *
  47  * C3. The second condition is ignored if there is a request which has
  48  *     waited longer than FLUSH_PENDING_TIMEOUT.  This is to avoid
  49  *     starvation in the unlikely case where there are continuous stream of
  50  *     FUA (without PREFLUSH) requests.
  51  *
  52  * For devices which support FUA, it isn't clear whether C2 (and thus C3)
  53  * is beneficial.
  54  *
  55  * Note that a sequenced PREFLUSH/FUA request with DATA is completed twice.
  56  * Once while executing DATA and again after the whole sequence is
  57  * complete.  The first completion updates the contained bio but doesn't
  58  * finish it so that the bio submitter is notified only after the whole
  59  * sequence is complete.  This is implemented by testing RQF_FLUSH_SEQ in
  60  * req_bio_endio().
  61  *
  62  * The above peculiarity requires that each PREFLUSH/FUA request has only one
  63  * bio attached to it, which is guaranteed as they aren't allowed to be
  64  * merged in the usual way.
  65  */
  66
  67 #include <linux/kernel.h>
  68 #include <linux/module.h>
  69 #include <linux/bio.h>
  70 #include <linux/blkdev.h>
  71 #include <linux/gfp.h>
  72 #include <linux/blk-mq.h>
  73
  74 #include "blk.h"
  75 #include "blk-mq.h"
  76 #include "blk-mq-tag.h"
  77 #include "blk-mq-sched.h"
  78
  79 /* PREFLUSH/FUA sequences */
  80 enum {
  81         REQ_FSEQ_PREFLUSH       = (1 << 0), /* pre-flushing in progress */
  82         REQ_FSEQ_DATA           = (1 << 1), /* data write in progress */
  83         REQ_FSEQ_POSTFLUSH      = (1 << 2), /* post-flushing in progress */
  84         REQ_FSEQ_DONE           = (1 << 3),
  85
  86         REQ_FSEQ_ACTIONS        = REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_DATA |
  87                                   REQ_FSEQ_POSTFLUSH,
  88
  89         /*
  90          * If flush has been pending longer than the following timeout,
  91          * it's issued even if flush_data requests are still in flight.
  92          */
  93         FLUSH_PENDING_TIMEOUT   = 5 * HZ,
  94 };
  95
  96 static bool blk_kick_flush(struct request_queue *q,
  97                            struct blk_flush_queue *fq, unsigned int flags);
  98
  99 static unsigned int blk_flush_policy(unsigned long fflags, struct request *rq)
 100 {
 101         unsigned int policy = 0;
 102
 103         if (blk_rq_sectors(rq))
 104                 policy |= REQ_FSEQ_DATA;
 105
 106         if (fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_WC)) {
 107                 if (rq->cmd_flags & REQ_PREFLUSH)
 108                         policy |= REQ_FSEQ_PREFLUSH;
 109                 if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)) &&
 110                     (rq->cmd_flags & REQ_FUA))
 111                         policy |= REQ_FSEQ_POSTFLUSH;
 112         }
 113         return policy;
 114 }
 115
 116 static unsigned int blk_flush_cur_seq(struct request *rq)
 117 {
 118         return 1 << ffz(rq->flush.seq);
 119 }
 120
 121 static void blk_flush_restore_request(struct request *rq)
 122 {
 123         /*
 124          * After flush data completion, @rq->bio is %NULL but we need to
 125          * complete the bio again.  @rq->biotail is guaranteed to equal the
 126          * original @rq->bio.  Restore it.
 127          */
 128         rq->bio = rq->biotail;
 129
 130         /* make @rq a normal request */
 131         rq->rq_flags &= ~RQF_FLUSH_SEQ;
 132         rq->end_io = rq->flush.saved_end_io;
 133 }
 134
 135 static bool blk_flush_queue_rq(struct request *rq, bool add_front)
 136 {
 137         if (rq->q->mq_ops) {
 138                 blk_mq_add_to_requeue_list(rq, add_front, true);
 139                 return false;
 140         } else {
 141                 if (add_front)
 142                         list_add(&rq->queuelist, &rq->q->queue_head);
 143                 else
 144                         list_add_tail(&rq->queuelist, &rq->q->queue_head);
 145                 return true;
 146         }
 147 }
 148
 149 /**
 150  * blk_flush_complete_seq - complete flush sequence
 151  * @rq: PREFLUSH/FUA request being sequenced
 152  * @fq: flush queue
 153  * @seq: sequences to complete (mask of %REQ_FSEQ_*, can be zero)
 154  * @error: whether an error occurred
 155  *
 156  * @rq just completed @seq part of its flush sequence, record the
 157  * completion and trigger the next step.
 158  *
 159  * CONTEXT:
 160  * spin_lock_irq(q->queue_lock or fq->mq_flush_lock)
 161  *
 162  * RETURNS:
 163  * %true if requests were added to the dispatch queue, %false otherwise.
 164  */
 165 static bool blk_flush_complete_seq(struct request *rq,
 166                                    struct blk_flush_queue *fq,
 167                                    unsigned int seq, blk_status_t error)
 168 {
 169         struct request_queue *q = rq->q;
 170         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 171         bool queued = false, kicked;
 172         unsigned int cmd_flags;
 173
 174         BUG_ON(rq->flush.seq & seq);
 175         rq->flush.seq |= seq;
 176         cmd_flags = rq->cmd_flags;
 177
 178         if (likely(!error))
 179                 seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 180         else
 181                 seq = REQ_FSEQ_DONE;
 182
 183         switch (seq) {
 184         case REQ_FSEQ_PREFLUSH:
 185         case REQ_FSEQ_POSTFLUSH:
 186                 /* queue for flush */
 187                 if (list_empty(pending))
 188                         fq->flush_pending_since = jiffies;
 189                 list_move_tail(&rq->flush.list, pending);
 190                 break;
 191
 192         case REQ_FSEQ_DATA:
 193                 list_move_tail(&rq->flush.list, &fq->flush_data_in_flight);
 194                 queued = blk_flush_queue_rq(rq, true);
 195                 break;
 196
 197         case REQ_FSEQ_DONE:
 198                 /*
 199                  * @rq was previously adjusted by blk_flush_issue() for
 200                  * flush sequencing and may already have gone through the
 201                  * flush data request completion path.  Restore @rq for
 202                  * normal completion and end it.
 203                  */
 204                 BUG_ON(!list_empty(&rq->queuelist));
 205                 list_del_init(&rq->flush.list);
 206                 blk_flush_restore_request(rq);
 207                 if (q->mq_ops)
 208                         blk_mq_end_request(rq, error);
 209                 else
 210                         __blk_end_request_all(rq, error);
 211                 break;
 212
 213         default:
 214                 BUG();
 215         }
 216
 217         kicked = blk_kick_flush(q, fq, cmd_flags);
 218         return kicked | queued;
 219 }
 220
 221 static void flush_end_io(struct request *flush_rq, blk_status_t error)
 222 {
 223         struct request_queue *q = flush_rq->q;
 224         struct list_head *running;
 225         bool queued = false;
 226         struct request *rq, *n;
 227         unsigned long flags = 0;
 228         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, flush_rq->mq_ctx);
 229
 230         if (q->mq_ops) {
 231                 struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
 232
 233                 /* release the tag's ownership to the req cloned from */
 234                 spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 235                 hctx = blk_mq_map_queue(q, flush_rq->mq_ctx->cpu);
 236                 if (!q->elevator) {
 237                         blk_mq_tag_set_rq(hctx, flush_rq->tag, fq->orig_rq);
 238                         flush_rq->tag = -1;
 239                 } else {
 240                         blk_mq_put_driver_tag_hctx(hctx, flush_rq);
 241                         flush_rq->internal_tag = -1;
 242                 }
 243         }
 244
 245         running = &fq->flush_queue[fq->flush_running_idx];
 246         BUG_ON(fq->flush_pending_idx == fq->flush_running_idx);
 247
 248         /* account completion of the flush request */
 249         fq->flush_running_idx ^= 1;
 250
 251         if (!q->mq_ops)
 252                 elv_completed_request(q, flush_rq);
 253
 254         /* and push the waiting requests to the next stage */
 255         list_for_each_entry_safe(rq, n, running, flush.list) {
 256                 unsigned int seq = blk_flush_cur_seq(rq);
 257
 258                 BUG_ON(seq != REQ_FSEQ_PREFLUSH && seq != REQ_FSEQ_POSTFLUSH);
 259                 queued |= blk_flush_complete_seq(rq, fq, seq, error);
 260         }
 261
 262         /*
 263          * Kick the queue to avoid stall for two cases:
 264          * 1. Moving a request silently to empty queue_head may stall the
 265          * queue.
 266          * 2. When flush request is running in non-queueable queue, the
 267          * queue is hold. Restart the queue after flush request is finished
 268          * to avoid stall.
 269          * This function is called from request completion path and calling
 270          * directly into request_fn may confuse the driver.  Always use
 271          * kblockd.
 272          */
 273         if (queued || fq->flush_queue_delayed) {
 274                 WARN_ON(q->mq_ops);
 275                 blk_run_queue_async(q);
 276         }
 277         fq->flush_queue_delayed = 0;
 278         if (q->mq_ops)
 279                 spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 280 }
 281
 282 /**
 283  * blk_kick_flush - consider issuing flush request
 284  * @q: request_queue being kicked
 285  * @fq: flush queue
 286  * @flags: cmd_flags of the original request
 287  *
 288  * Flush related states of @q have changed, consider issuing flush request.
 289  * Please read the comment at the top of this file for more info.
 290  *
 291  * CONTEXT:
 292  * spin_lock_irq(q->queue_lock or fq->mq_flush_lock)
 293  *
 294  * RETURNS:
 295  * %true if flush was issued, %false otherwise.
 296  */
 297 static bool blk_kick_flush(struct request_queue *q, struct blk_flush_queue *fq,
 298                            unsigned int flags)
 299 {
 300         struct list_head *pending = &fq->flush_queue[fq->flush_pending_idx];
 301         struct request *first_rq =
 302                 list_first_entry(pending, struct request, flush.list);
 303         struct request *flush_rq = fq->flush_rq;
 304
 305         /* C1 described at the top of this file */
 306         if (fq->flush_pending_idx != fq->flush_running_idx || list_empty(pending))
 307                 return false;
 308
 309         /* C2 and C3
 310          *
 311          * For blk-mq + scheduling, we can risk having all driver tags
 312          * assigned to empty flushes, and we deadlock if we are expecting
 313          * other requests to make progress. Don't defer for that case.
 314          */
 315         if (!list_empty(&fq->flush_data_in_flight) &&
 316             !(q->mq_ops && q->elevator) &&
 317             time_before(jiffies,
 318                         fq->flush_pending_since + FLUSH_PENDING_TIMEOUT))
 319                 return false;
 320
 321         /*
 322          * Issue flush and toggle pending_idx.  This makes pending_idx
 323          * different from running_idx, which means flush is in flight.
 324          */
 325         fq->flush_pending_idx ^= 1;
 326
 327         blk_rq_init(q, flush_rq);
 328
 329         /*
 330          * In case of none scheduler, borrow tag from the first request
 331          * since they can't be in flight at the same time. And acquire
 332          * the tag's ownership for flush req.
 333          *
 334          * In case of IO scheduler, flush rq need to borrow scheduler tag
 335          * just for cheating put/get driver tag.
 336          */
 337         if (q->mq_ops) {
 338                 struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
 339
 340                 flush_rq->mq_ctx = first_rq->mq_ctx;
 341
 342                 if (!q->elevator) {
 343                         fq->orig_rq = first_rq;
 344                         flush_rq->tag = first_rq->tag;
 345                         hctx = blk_mq_map_queue(q, first_rq->mq_ctx->cpu);
 346                         blk_mq_tag_set_rq(hctx, first_rq->tag, flush_rq);
 347                 } else {
 348                         flush_rq->internal_tag = first_rq->internal_tag;
 349                 }
 350         }
 351
 352         flush_rq->cmd_flags = REQ_OP_FLUSH | REQ_PREFLUSH;
 353         flush_rq->cmd_flags |= (flags & REQ_DRV) | (flags & REQ_FAILFAST_MASK);
 354         flush_rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
 355         flush_rq->rq_disk = first_rq->rq_disk;
 356         flush_rq->end_io = flush_end_io;
 357
 358         return blk_flush_queue_rq(flush_rq, false);
 359 }
 360
 361 static void flush_data_end_io(struct request *rq, blk_status_t error)
 362 {
 363         struct request_queue *q = rq->q;
 364         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, NULL);
 365
 366         lockdep_assert_held(q->queue_lock);
 367
 368         /*
 369          * Updating q->in_flight[] here for making this tag usable
 370          * early. Because in blk_queue_start_tag(),
 371          * q->in_flight[BLK_RW_ASYNC] is used to limit async I/O and
 372          * reserve tags for sync I/O.
 373          *
 374          * More importantly this way can avoid the following I/O
 375          * deadlock:
 376          *
 377          * - suppose there are 40 fua requests comming to flush queue
 378          *   and queue depth is 31
 379          * - 30 rqs are scheduled then blk_queue_start_tag() can't alloc
 380          *   tag for async I/O any more
 381          * - all the 30 rqs are completed before FLUSH_PENDING_TIMEOUT
 382          *   and flush_data_end_io() is called
 383          * - the other rqs still can't go ahead if not updating
 384          *   q->in_flight[BLK_RW_ASYNC] here, meantime these rqs
 385          *   are held in flush data queue and make no progress of
 386          *   handling post flush rq
 387          * - only after the post flush rq is handled, all these rqs
 388          *   can be completed
 389          */
 390
 391         elv_completed_request(q, rq);
 392
 393         /* for avoiding double accounting */
 394         rq->rq_flags &= ~RQF_STARTED;
 395
 396         /*
 397          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
 398          * the comment in flush_end_io().
 399          */
 400         if (blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error))
 401                 blk_run_queue_async(q);
 402 }
 403
 404 static void mq_flush_data_end_io(struct request *rq, blk_status_t error)
 405 {
 406         struct request_queue *q = rq->q;
 407         struct blk_mq_hw_ctx *hctx;
 408         struct blk_mq_ctx *ctx = rq->mq_ctx;
 409         unsigned long flags;
 410         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, ctx);
 411
 412         hctx = blk_mq_map_queue(q, ctx->cpu);
 413
 414         if (q->elevator) {
 415                 WARN_ON(rq->tag < 0);
 416                 blk_mq_put_driver_tag_hctx(hctx, rq);
 417         }
 418
 419         /*
 420          * After populating an empty queue, kick it to avoid stall.  Read
 421          * the comment in flush_end_io().
 422          */
 423         spin_lock_irqsave(&fq->mq_flush_lock, flags);
 424         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_DATA, error);
 425         spin_unlock_irqrestore(&fq->mq_flush_lock, flags);
 426
 427         blk_mq_sched_restart(hctx);
 428 }
 429
 430 /**
 431  * blk_insert_flush - insert a new PREFLUSH/FUA request
 432  * @rq: request to insert
 433  *
 434  * To be called from __elv_add_request() for %ELEVATOR_INSERT_FLUSH insertions.
 435  * or __blk_mq_run_hw_queue() to dispatch request.
 436  * @rq is being submitted.  Analyze what needs to be done and put it on the
 437  * right queue.
 438  */
 439 void blk_insert_flush(struct request *rq)
 440 {
 441         struct request_queue *q = rq->q;
 442         unsigned long fflags = q->queue_flags;  /* may change, cache */
 443         unsigned int policy = blk_flush_policy(fflags, rq);
 444         struct blk_flush_queue *fq = blk_get_flush_queue(q, rq->mq_ctx);
 445
 446         if (!q->mq_ops)
 447                 lockdep_assert_held(q->queue_lock);
 448
 449         /*
 450          * @policy now records what operations need to be done.  Adjust
 451          * REQ_PREFLUSH and FUA for the driver.
 452          */
 453         rq->cmd_flags &= ~REQ_PREFLUSH;
 454         if (!(fflags & (1UL << QUEUE_FLAG_FUA)))
 455                 rq->cmd_flags &= ~REQ_FUA;
 456
 457         /*
 458          * REQ_PREFLUSH|REQ_FUA implies REQ_SYNC, so if we clear any
 459          * of those flags, we have to set REQ_SYNC to avoid skewing
 460          * the request accounting.
 461          */
 462         rq->cmd_flags |= REQ_SYNC;
 463
 464         /*
 465          * An empty flush handed down from a stacking driver may
 466          * translate into nothing if the underlying device does not
 467          * advertise a write-back cache.  In this case, simply
 468          * complete the request.
 469          */
 470         if (!policy) {
 471                 if (q->mq_ops)
 472                         blk_mq_end_request(rq, 0);
 473                 else
 474                         __blk_end_request(rq, 0, 0);
 475                 return;
 476         }
 477
 478         BUG_ON(rq->bio != rq->biotail); /*assumes zero or single bio rq */
 479
 480         /*
 481          * If there's data but flush is not necessary, the request can be
 482          * processed directly without going through flush machinery.  Queue
 483          * for normal execution.
 484          */
 485         if ((policy & REQ_FSEQ_DATA) &&
 486             !(policy & (REQ_FSEQ_PREFLUSH | REQ_FSEQ_POSTFLUSH))) {
 487                 if (q->mq_ops)
 488                         blk_mq_request_bypass_insert(rq, false);
 489                 else
 490                         list_add_tail(&rq->queuelist, &q->queue_head);
 491                 return;
 492         }
 493
 494         /*
 495          * @rq should go through flush machinery.  Mark it part of flush
 496          * sequence and submit for further processing.
 497          */
 498         memset(&rq->flush, 0, sizeof(rq->flush));
 499         INIT_LIST_HEAD(&rq->flush.list);
 500         rq->rq_flags |= RQF_FLUSH_SEQ;
 501         rq->flush.saved_end_io = rq->end_io; /* Usually NULL */
 502         if (q->mq_ops) {
 503                 rq->end_io = mq_flush_data_end_io;
 504
 505                 spin_lock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 506                 blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
 507                 spin_unlock_irq(&fq->mq_flush_lock);
 508                 return;
 509         }
 510         rq->end_io = flush_data_end_io;
 511
 512         blk_flush_complete_seq(rq, fq, REQ_FSEQ_ACTIONS & ~policy, 0);
 513 }
 514
 515 /**
 516  * blkdev_issue_flush - queue a flush
 517  * @bdev:       blockdev to issue flush for
 518  * @gfp_mask:   memory allocation flags (for bio_alloc)
 519  * @error_sector:       error sector
 520  *
 521  * Description:
 522  *    Issue a flush for the block device in question. Caller can supply
 523  *    room for storing the error offset in case of a flush error, if they
 524  *    wish to.
 525  */
 526 int blkdev_issue_flush(struct block_device *bdev, gfp_t gfp_mask,
 527                 sector_t *error_sector)
 528 {
 529         struct request_queue *q;
 530         struct bio *bio;
 531         int ret = 0;
 532
 533         if (bdev->bd_disk == NULL)
 534                 return -ENXIO;
 535
 536         q = bdev_get_queue(bdev);
 537         if (!q)
 538                 return -ENXIO;
 539
 540         /*
 541          * some block devices may not have their queue correctly set up here
 542          * (e.g. loop device without a backing file) and so issuing a flush
 543          * here will panic. Ensure there is a request function before issuing
 544          * the flush.
 545          */
 546         if (!q->make_request_fn)
 547                 return -ENXIO;
 548
 549         bio = bio_alloc(gfp_mask, 0);
 550         bio_set_dev(bio, bdev);
 551         bio->bi_opf = REQ_OP_WRITE | REQ_PREFLUSH;
 552
 553         ret = submit_bio_wait(bio);
 554
 555         /*
 556          * The driver must store the error location in ->bi_sector, if
 557          * it supports it. For non-stacked drivers, this should be
 558          * copied from blk_rq_pos(rq).
 559          */
 560         if (error_sector)
 561                 *error_sector = bio->bi_iter.bi_sector;
 562
 563         bio_put(bio);
 564         return ret;
 565 }
 566 EXPORT_SYMBOL(blkdev_issue_flush);
 567
 568 struct blk_flush_queue *blk_alloc_flush_queue(struct request_queue *q,
 569                 int node, int cmd_size)
 570 {
 571         struct blk_flush_queue *fq;
 572         int rq_sz = sizeof(struct request);
 573
 574         fq = kzalloc_node(sizeof(*fq), GFP_KERNEL, node);
 575         if (!fq)
 576                 goto fail;
 577
 578         if (q->mq_ops)
 579                 spin_lock_init(&fq->mq_flush_lock);
 580
 581         rq_sz = round_up(rq_sz + cmd_size, cache_line_size());
 582         fq->flush_rq = kzalloc_node(rq_sz, GFP_KERNEL, node);
 583         if (!fq->flush_rq)
 584                 goto fail_rq;
 585
 586         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[0]);
 587         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_queue[1]);
 588         INIT_LIST_HEAD(&fq->flush_data_in_flight);
 589
 590         return fq;
 591
 592  fail_rq:
 593         kfree(fq);
 594  fail:
 595         return NULL;
 596 }
 597
 598 void blk_free_flush_queue(struct blk_flush_queue *fq)
 599 {
 600         /* bio based request queue hasn't flush queue */
 601         if (!fq)
 602                 return;
 603
 604         kfree(fq->flush_rq);
 605         kfree(fq);
 606 }